CC BY
63
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК: 533.9
Д. Л. Кирко, А. С. Савелов, С. А. Саранцев
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ НИЗКОИНДУКТИВНОЙ
ВАКУУМНОЙ ИСКРЫ
Ключевые слова: вакуумная искра, плазменные волны.
В данной работе изучались параметры вакуумной искры, моделирующей высокотемпературные плазменные среды. Зарегистрированы интенсивные высокочастотные колебания в цепи электрического тока в диапазоне 5 МГц - 1 ГГц. Полученный частотный диапазон согласуется с соответствующими диапазонами магнитозвуковых волн, существующих в плазме данного разряда.
Keywords: vacuum spark, plasma waves.
In this work vacuum spark parameters modeling a high temperature plasma medium were investigated. Intensive high frequency oscillations of electrical current in region 5 MHz - 1 GHz were registered. This frequency region is correlated with the corresponding regions of magnetic-sonic waves existing in this discharge plasma.
Процессы пинчевания высокотемпературной плазмы достаточно эффективно моделируются с помощью низкоиндуктивной вакуумной искры [1,2]. Для данного разряда также существует возможность использования его рентгеновского и ультрафиолетового излучения в рентгенолитографии. Вместе с тем, вакуумная искра является источником излучения в высокочастотном и видимом диапазонах спектра. Формирование плазмы разряда содержит стадии пинчевания и разлета плазменной оболочки. Процессы, приводящие к генерации высокочастотного излучения, не достаточно хорошо изучены. Данное явление связано с колебательными процессами, исследование которых необходимо для обеспечения устойчивости плазмы разряда.
Электродная система вакуумной искры содержит медный анод (1) заостренной формы (диаметр 3 мм) и катод (2) из нержавеющей стали (диаметр 20 мм) цилиндрической формы с отверстием 2 мм в центре (рис.1). Расстояние между электродами составляло 5 мм. Рабочее давление в камере поддерживалось в диапазоне 10"5-10"6 Торр. Накопительный конденсатор
Рис. 1 - Электродная система и плазменные области
имел емкость 20 мкФ при зарядном напряжении 5-20 кВ. Инициирование разряда производилось тригерными разрядниками (3), радиальноудаленными на 25 мм от оси разряда. Ток разряда находился в диапазоне 100-150 кА при периоде разряда 6 мкс. При протекании сильного тока происходит интенсивное испарение медного анода и центральной части стального катода. На оси системы формируется сильно сжатый пинч (4), окруженный более разреженной оболочкой (5) (рис.1). Наиболее характерными параметрами плазмы пинча,
19 3
полученными из предшествующих измерений, являются: концентрация Пе~1.5-10 см и температура Т^2.3-10 К [2,3]. Изображения плазменных точек в рентгеновском диапазоне, полученные с помощью камеры-обскуры, люминесцентного экрана и камеры Видеоскан-205, представлены на рис.2. Расстояние от анода до плазменных точек составляет приблизительно 1.2 мм.
100 мкм I-1
Рис. 2 - Изображения плазменных точек в рентгеновском диапазоне (время экспозиции 1э=100 нс)
Характерная осциллограмма первого полупериода тока разряда представлена на рис.3. Одновременно с измерением тока производилась регистрация рентгеновского излучения с помощью пин-диода (временное разрешение А1=1.5 нс). При нарастании тока на осциллограмме наблюдается особенность (момент времени 1~3 мкс), которая соответствует пинчеванию разряда и возникновению плазменных точек (6) внутри пинча (4) (рис.1). Этот момент времени соответствует появлению интенсивных высокочастотных колебаний диапазона 0.1-1 ГГц.
0 I-—МЧлк-^ — - ■—~-
1 2 3 4 5 1, икс
Рис. 3 - Осциллограммы тока разряда (I) и интенсивности рентгеновского излучения (и) (зарядное напряжение У=15 кВ, напряжение поджига Уп=18 кВ)
Режимы c высокочастотными колебательными процессами можно более отчетливо проследить на осциллограммах тока. На рис.4 представлена характерная зависимость тока разряда от времени, на которой наблюдаются колебания в диапазоне 1G-16 МГц. На осциллограммах также присутствуют частотные зависимости в области G, 1 -1 ГГц. Возникновение высокочастотных колебаний происходит с самого начала импульса тока (t~2 мкс) в момент появления плазмы. Для исследования высокочастотных колебаний разряда использовался анализатор С1-25 (рабочий диапазон 5G кГц-TG МГц). Были зарегистрированы следующие характерные частоты данных колебаний: 11.2 МГц, 12.1 МГц, 15.3 МГц. Более быстрые сигналы исследовались с помощью низкоиндуктивных магнитных зондов и осциллографа Tektronix TDS 2G24B. При этом были определены следующие частоты наиболее интенсивных колебаний: G,21 ГГц и G,42 ГГц.
Рис. 4 - Осциллограмма тока разряда (I) в колебательном режиме и интенсивности рентгеновского излучения (J) (зарядное напряжение U=18 кВ, напряжение поджига Un=19 кВ)
Рассмотрим плазменные процессы, содержащие частоты близкие к полученным в данных измерениях. В области плазмы пинча, примыкающей к катоду, при наиболее характерных параметрах плазмы, возможно развитие ленгмюровских колебаний с частотой
2 1/2 14 1
Шр=(4лЛее /me) =2.2-10 с- . Оценка для дебаевского радиуса, показывающего степень
2 1/2 7
экранирования плазмы, дает следующее значение: ^=(кТ/4л:пее ) =8.5-10" см, которое
меньше типичных размеров плазменных точек Гп~10" см. Для характерных токов, текущих
через плазму пинча, величина магнитного поля будет находиться в диапазоне B=103-104 Гс.
При данных условиях в плазме с магнитным полем могут существовать магнитозвуковые
волны двух типов: ионные и электронные [4]. Для значения магнитного поля B=103 Гс ионная
6 1
циклотронная частота имеет значение: QBi=eB/mp=9.6-10 с- , а электронная циклотронная
10 1
частота соответственно: QBe=eB/me=1.8-10 С . Согласно свойствам магнитозвуковых волн частоты электронных волн будут находиться в диапазоне меньшем данного численного значения QBe, а ионных - в области меньшей qbî соответственно [4]. Другой возможностью может являться возникновение в объеме плазмы пинча и оболочки стоячих электромагнитных волн. Для расстояния между анодом и катодом 1=5 мм основная гармоника колебаний будет составлять v=30 ГГц.
Ввиду рассмотренных вычислений магнитозвуковые волны являются более предпочтительными для объяснения наблюдаемых высокочастотных колебаний, и будут соответствовать частотному диапазону v=5 МГц - 1 ГГц, который был зарегистрирован в экспериментах.
Излучение вакуумной искры в видимой и ультрафиолетовой областях спектра исследовалось с помощью спектрометра Avantes (рабочий диапазон 200-1000 нм,
спектральное разрешение 0,3 нм). Были зарегистрированы следующие интенсивные атомарные водородные линии Иу 434 нм, Иа 656 нм, и атомарные линии металлов Cu I 276 нм, 521 нм; Fe I 300 нм, 382 нм, входящих в состав электродов. В излучении также присутствовали однократные и двукратные ионы, как, например, O II 253 нм, N III 286 нм, и достаточно сильный непрерывный спектр. Для определения температуры оболочки разряда был использован метод относительных интенсивностей спектральных линий. С помощью атомарных водородных линий Иу и На была получена температура плазмы, которая составила Т^8500 К. Данные значения температуры на порядок ниже величин, существующих в области пинча.
В данной работе были исследованы колебательные режимы низкоиндуктивной вакуумной искры, приводящие к генерации высокочастотного излучения. Были рассмотрены параметры плазменных волн, имеющие частотный диапазон близкий к данным колебаниям. Характеристики магнитозвуковых волн соответствуют полученному частотному диапазону колебаний и могут объяснить данное явление.
Литература
1. Матвеев, Ю.В. Генерация жестких излучений и динамика плазмы в опытах с цилиндрическими z-пинчами / Ю.В. Матвеев // Физика плазмы.-2010.-Т.36.-№3.-С.221-236.
2. Башутин, О.А. Пространственное распределение рентгеновского излучения низкоиндуктивной вакуумной искры / О. А. Башутин, А.С. Савелов, Е.Д. Вовченко // Физика плазмы.-2009.-Т.35.-№10.-С.883-888.
3. Кирко, Д.Л. Изучение спектрального состава излучения низкоиндуктивной вакуумной искры / Д.Л. Кирко, А.С. Савелов, Э.И. Додулад // Матер. VII Росс. конф. "Соврем. средства диагн. плазмы", НИЯУ МИФИ. -М., 2010, -С.139-140.
4. Кролл, Н. Основы физики плазмы / Н. Кролл, А. Трайвелпис.-М.: Мир, 1975.-525 с.
© Д. Л. Кирко - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. физики плазмы Национального исслед. ядерного ун-та "МИФИ", [email protected]; А. С. Савелов - д-р физ.-мат. наук, проф. той же кафедры; С. А. Саранцев - асп. той же кафедры.
